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0.18μm CMOS工艺射频集成压控振荡器的研究与设计

作　者: 刘亮
导　师: 郭宇锋；刘蕾蕾
学　校: 南京邮电大学
专　业: 电子与通信工程
关键词: 压控振荡器射频识别片上集成平面螺旋电感可变电容相位噪声
分类号: TN752
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

近年来,无线通信市场的迅猛发展推动了低成本、低功耗CMOS射频前端芯片的研究与发展。随着CMOS工艺技术的不断进步,大多数射频单元模块,如功率放大器(PA)、低噪声放大器(LNA)、混频器(MIXER)以及振荡器(Oscillator)等都实现了单片集成。尤其是高品质因数电感和可变电容等无源器件的片上实现,让电感电容压控振荡器(LC VCO)的单片集成已成为可能。如何在较低的功耗下设计相位噪声性能和调谐范围满足特定应用要求的单片集成压控振荡器,仍是目前射频集成研究领域的热点和难点。本课题针对上述问题,系统地分析了电感电容压控振荡器的相关理论和实现方法,并参考国内外压控振荡器的研究现状,设计了一个具有低功耗、低相位噪声以及较大频率调谐范围的全集成电感电容压控振荡器,主要的工作和成果如下:1.研究了压控振荡器的基本原理和各项技术指标,分别对基于反馈理论和能量补偿理论的两种振荡器分析方法作了系统介绍,并阐述了几种典型的电感电容振荡器结构;2.研究了谐振电路中无源器件(电感和可变电容)的片上实现,重点分析了集成平面螺旋电感的结构特点、建模与仿真方法,并讨论了不同结构MOS管可变电容的调谐特性并作仿真;3.研究了相位噪声产生的物理机制,分析了相位噪声的线性时不变(LTI)模型和线性相位时变(LPTV)模型并介绍了几种相位噪声降低技术;4.基于主流的SMIC 0.18μm CMOS工艺,优化设计了应用于超高频射频识别(UHF RFID)系统射频前端的两种不同结构的电感电容压控振荡器。从两种电路拓扑结构的选择,到各元器件的选取和参数的设置,都进行了具体分析。接着通过Spectre RF仿真比较了两种结构的性能,针对其中一种结构采取适当的措施优化其相位噪声性能并作版图设计。后仿真结果表明,本设计获得了良好的相位噪声性能和较低功耗,实现了858.2~986.6MHz频率调谐范围。在频率915MHz处相位噪声性能为-109.6dBc/Hz @100kHz和-132dBc/Hz@1MHz。1.8V电源供电时,核心电路消耗6.2mA电流,满足设计要求。

全文目录

摘要  4-5
ABSTRACT  5-8
第一章绪论  8-12
  1.1 研究背景和意义  8
  1.2 压控振荡器发展历程和国内外研究现状  8-9
  1.3 本文研究任务和设计思路  9-10
  1.4 本文的组织结构  10-12
第二章压控振荡器设计基础  12-22
  2.1 振荡器的基本原理  12-18
    2.1.1 两端负反馈系统分析  12-14
    2.1.2 LC 谐振电路特性  14-15
    2.1.3 单端能量补偿系统分析  15-18
  2.2 电感电容压控振荡器  18-22
    2.2.1 压控振荡器的数学模型  18-19
    2.2.2 差分 LC 压控振荡器  19-22
第三章片上电感和可变电容  22-30
  3.1 硅基集成螺旋电感  22-26
    3.1.1 平面螺旋电感结构  22-24
    3.1.2 平面螺旋电感模型分析  24-26
  3.2 可变电容特性分析  26-30
    3.2.1 变容二极管  26-27
    3.2.2 MOS 管可变电容  27-30
第四章相位噪声理论与降噪技术  30-45
  4.1 振荡器的相位噪声  30-31
  4.2 线性时不变（LTI）模型  31-35
  4.3 线性相位时变（LPTV）模型  35-39
    4.3.1 相位增量的脉冲响应  35-37
    4.3.2 相位—电压转换  37-38
    4.3.3 单边带噪声谱密度与载波功率之比  38-39
    4.3.4 周期平稳噪声源  39
  4.4 相位噪声降低技术  39-45
    4.4.1 去除尾电流源  40-41
    4.4.2 大电容滤波技术  41-43
    4.4.3 二次谐波谐振滤波技术  43-45
第五章压控振荡器电路设计与优化  45-63
  5.1 低功耗和低相位噪声设计思路  45-46
    5.1.1 低功耗设计  45-46
    5.1.2 低相位噪声设计  46
  5.2 电压偏置型 LC VCO 电路结构  46-51
    5.2.1 MOS 管尺寸参数的确定  48
    5.2.2 电感参数的确定  48-50
    5.2.3 可变电容与固定电容的选取  50-51
  5.3 电压偏置型 LC VCO 前仿真  51-54
    5.3.1 瞬态仿真结果  52-53
    5.3.2 频率调谐曲线  53-54
    5.3.3 相位噪声  54
  5.4 尾电流偏置型 LC VCO 电路结构  54-57
  5.5 VCO 相位噪声优化  57-58
  5.6 版图设计与后仿真  58-63
    5.6.1 版图的设计  58-60
    5.6.2 后仿真结果  60-63
第六章结论  63-64
致谢  64-65
参考文献  65-67

0.18μm CMOS工艺射频集成压控振荡器的研究与设计

内容摘要

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